Resumo

MANCAIS MAGNTICOS ATIVOS.

P. H. F. Guiro, L. P. Nascimento

Departamento de Engenharia Mecnica, UNESP/Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Av. Brasil Centro 56, Ilha Solteira S.P, Cep. 15385-000.

Palavras chaves: Mancais magnticos, Controle ativo, Vibraes, Dinmica de rotoresRESUMO

Os mancais magnticos apresentam uma nova concepo na tecnologia de mancais. Eles so dispositivos eletromagnticos projetados para manter um eixo suspenso dentro do mancal sem que haja nenhum contato entre ambos. Os mancais magnticos podem suportar tanto cargas radiais quanto cargas axiais utilizando apenas foras magnticas para a levitao do eixo, diferenciando-se dos mancais fluidodinmicos ou dos mancais de rolamento que so baseados em foras mecnicas para a sustentao do eixo.

Os mancais magnticos apresentam vrias vantagens sobre os mancais convencionais para uma variedade de aplicaes prticas. As vantagens principais dos mancais magnticos so a baixa perda de carga ou baixo consumo de potncia e a longa vida, tendo em vista que no h contato entre o rotor e o estator. Devido a essa ausncia de contato, no h desgaste das peas, enquanto que nos mancais fluidodinmicos ocorrem elevadas perdas por frico devido ao efeito de cisalhamento do leo. As perdas dos mancais magnticos ficam reduzidas a alguma resistncia do ar entre o rotor e o estator e a correntes marginais (eddy currents) ou histerese. Tambm por serem limpos, ou seja, livres de leo ou graxa e sem rudos, os mancais magnticos so convenientes para aplicaes de bioengenharia (bombas cardacas e projetos de coraes artificiais), indstrias farmacuticas e alimentcias. Outra vantagem importante que eles podem operar em velocidades mais elevadas que os mancais convencionais de rolamento ou fluidodinmicos com relativamente baixa perda mecnica. As altas velocidades que estes mancais possibilitam so devidas ausncia de contato, que no proporciona o aquecimento deste sistema. Tambm podem operar em ambientes onde as condies seriam adversas para outros tipos de mancais, como em altssimas ou em baixssimas temperaturas que poderiam modificar consideravelmente as caractersticas do leo de lubrificao dos mancais de rolamento ou fluidodinmicos. Outro grande benefcio da tecnologia dos mancais magnticos ativos que eles tm a capacidade de operar como atuadores em sistema de controle ativo de vibraes, uma vez que possuem a capacidade de controlar a correta posio do eixo dentro do mancal.

Neste trabalho procedeu-se a um levantamento bibliogrfico relacionado com o tema mancais magnticos ativos, que engloba desde um histrico de seu surgimento at suas vantagens e desvantagens em relao aos mancais convencionais, suas aplicaes prticas em uma grande variedade de equipamentos comerciais e em controle ativos de vibraes em rotores. Alm disso, fez-se um levantamento das mais recentes linhas de pesquisas cientficas, em amplo desenvolvimento, que envolvem esse tipo de mancal. Em termos de projeto de um mancal magntico ativo, so apresentados seus elementos constitutivos mecnicos e eletromagnticos e os equipamentos bsicos do circuito de controle. A teoria bsica de funcionamento dos mancais magnticos ativos apresentada tomando-se como base princpios eletromagnticos fundamentais, procurando obter a expresso do ganho de rigidez de corrente que relaciona a variao da fora do mancal magntico em funo da corrente eltrica de controle, e a expresso do ganho de rigidez de posio que relaciona a variao da fora do mancal magntico em funo da posio do eixo. Esses ganhos so obtidos em funo das caractersticas construtivas dos mancais.

Para um mancal magntico funcionar necessrio que ele tenha um circuito de controle ativo para manter a estabilidade do sistema eixo-mancal, uma vez que o eixo estar sempre sujeito s foras externas que atuaro de forma a desestabilizar o conjunto. Assim, estabeleceu-se esse circuito eletrnico de controle constitudo de sensores (adjacentes aos mancais), filtro passa-baixa, controlador PID e amplificadores de potncia. Para cada um desses equipamentos do circuito estabeleceu-se uma funo de transferncia clssica, e a funo de transferncia completa do circuito de controle dada pela multiplicao das funes de transferncias dos diversos equipamentos do circuito. A funo de transferncia do circuito estabelece uma relao entre a posio do eixo dentro do mancal (medida atravs do sensor de deslocamento) e a corrente eltrica de controle. uma funo complexa dependente da freqncia que pode tambm variar em funo dos parmetros adotados para o controlador PID, filtro e amplificadores. O controle da posio do eixo realizado atravs do circuito eletrnico empregando uma malha fechada tipo feedback que retroalimentada milhares de vezes por segundo.

O movimento oscilatrio de qualquer sistema rotor-mancal definido pelas quantidades de rigidez e amortecimento presentes. Com os mancais mecnicos, as caractersticas de rigidez e amortecimento so geralmente fixadas pelo projeto do mancal. Diferentemente, as caractersticas de rigidez e amortecimento dos mancais magnticos so ajustadas atravs da escolha de um conjunto de parmetros de controle para um dado algoritmo de controle. Isso proporciona aos mancais magnticos a habilidade de mudar a dinmica dos rotores para operarem dentro de limites de melhores condies dinmicas. Tambm, para realizar simulaes do controle ativo de vibraes em sistemas necessrio obter essas caractersticas dos mancais magnticos.

Com a finalidade de obter as caractersticas dinmicas dos mancais magnticos, desenvolveu-se um modelo matemtico para o sistema rotor-mancal magntico, o qual permitiu obter as expresses para o clculo da rigidez e do amortecimento equivalentes dos mancais a partir de suas caractersticas (ganhos de rigidez de corrente e de posio) e da funo de transferncia global do circuito de controle. Sendo a funo de transferncia global do circuito eletrnico dependente da freqncia, assim tambm sero a rigidez e o amortecimento equivalentes do mancal magntico. A partir do modelo matemtico elaborou-se uma rotina computacional, utilizando o software MATLAB, para o levantamento das curvas de rigidez e de amortecimento equivalentes do mancal em funo da frequncia e em funo dos diversos parmetros de controle. Para simulaes em dinmica de rotores, um valor da rigidez equivalente aproximado pode ser tomado considerando a mdia dos valores na faixa de freqncia da curva obtida. Por sua vez, um valor aproximado do amortecimento equivalente do mancal pode ser obtido assintoticamente da curva em freqncia obtida.

Agradecimentos: PIBIC-Reitoria, PROEX, PROPP, Departamento de Engenharia Mecnica e Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, FEIS.

REFERNCIAS

Allaire, P. E. et al, 1993, Magnetic Bearings, STLE Handbook of Tribology and Lubrication, Vol. III.

Beale, S. et al, 1992, Adaptive Forced for Magnetic Bearing Systems, Third International Symposium on Magnetic Bearings, Alexandria, USA, pp. 601-611.

Kasarda, M. E. F., 2000, An Overview of Active Magnetic Bearing Technology and Applications, The Shock and Vibration Digest, Vol. 32, N.2, pp. 91-99.